CHƯƠNG I TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.5. Tình hình nghiên cứu xử lý đất ô nhiễm KLN bằng phương pháp sinh học ở
1.5.1. Tình hình sử dụng thực vật
Mặc dù khả năng xử lý đất ơ nhiễm KLN của nhiều lồi thực vật đã được thế giới biết đến khá lâu, nhưng tại Việt Nam, vấn đề này mới được một số nhà khoa học quan tâm nghiên cứu.
Đặng Đình Kim đã đánh giá mức độ ơ nhiễm của đất khu vực các vùng mỏ tại Thái Nguyên đồng thời tuyển chọn các thực vật bản địa phục vụ cho đề tài. Khảo sát 157 loài thực vật trên các bãi thải quặng và các vùng phụ cận, để phân tích KLN. Qua đó chọn lọc được 33 lồi cây có thể sống được trên đất ơ nhiễm cao. Có 2 lồi thuộc họ dương xỉ (Pteris vittata và Pityrogramma calomelanos) và cỏ mần trầu
(Eleusine indica) có khả năng tích lũy KLN, hàm lượng asen trong thân lá lên đến 5.876 ppm và trong rễ là 2.642 ppm. Cỏ mần trầu có thể được sử dụng như giải pháp phục hồi cho những vùng đất bị ơ nhiễm chì và kẽm. Nghiên cứu cho thấy cỏ vetiver cũng có khả năng chịu ơ nhiễm chì rất cao (trồng thí nghiệm trong đất nhiễm từ 1.400 ppm đến 2.530 ppm, cỏ vẫn phát triển tốt) [21].
Nguyễn Hữu Thành đã lựa chọn được một số loại thực vật bản địa có khả năng hấp thụ Pb, Zn, Cu cao có thể sử dụng các thực vật này để xử lý đất bị ô nhiễm KLN, đặc biệt ô nhiễm Pb bao gồm đơn buốt (Bidens pilosa L.), dừa nước (Ludwidgra adscendens), mương đứng (Ludwigia octovalvis) và cây rau muống (Ipomoea aquatica). Hàm lượng KLN tích lũy trong thân lá và rễ của các thực vật này rất cao, sinh khối lớn đã cho thấy tiềm năng sử dụng chúng trong xử lý đất ô nhiễm KLN bằng thực vật tại Việt Nam rất khả quan bởi chúng là những thực vật bản địa, dễ trồng, dễ nhân giống và thu hoạch [31].
Đồng Minh Hậu và cộng sự, (2008), nghiên cứu một số thực vật có khả năng hấp thụ Cu, Cr, Zn trong bùn nạo vét kênh Tân Hóa - Lị Gốm cho thấy 5 lồi thực vật gồm cây ngơ (Zea mays L.), cỏ nến (Typha angustifolia L.), cây sậy (Phragmites
vallatoria), cây so đũa (Sesbania grandiflora L.) và cỏ voi (Pennisetum purpureum)
có khả năng tích lũy KLN khác nhau. Cỏ vetiver (Vetiveris zizanioides) có khả năng sinh sống trên nhiều vùng đất khác nhau. Loại cỏ này là có bộ rễ lớn và có khả năng phát triển tốt trên các vùng đất ơ nhiễm. Cỏ vetiver có khả năng tích lũy lượng lớn KLN trong cơ thể nên có thể sử dụng trong xử lý đất ơ nhiễm KLN [15].
Võ Văn Minh nghiên cứu trên đất phù sa có bổ sung kẽm và đồng (ZnCl2 và CuCl2) với các nồng độ của đồng là: 0, 50, 70 và 100 ppm và của kẽm là: 0, 300, 400, 500 ppm đã chứng minh rằng khả năng hút kẽm của cỏ vetiver khá cao, trong đó hút kẽm cao hơn hút đồng. Trong xử lý đất ô nhiễm KLN, sự tích lũy KLN trong thân lá cao sẽ giúp lấy KLN khỏi đất nhanh hơn, chính vì vậy chỉ số tích lũy KLN ở thân lá so với rễ thường được tính tốn nhằm xác định khả năng trên của thực vật. Kết quả nghiên cứu của tác giả cho thấy tỷ lệ Zn và Cu tích lũy trong thân lá cỏ vetiver so với rễ rất cao, dao động từ 37,57% đến 84,03% với kẽm và từ 24,03% đến 85,49% với đồng. Như vậy có thể sử dụng cỏ vetiver trong xử lý đất ô nhiễm KLN theo cơ chế hút hay cố định bằng thực vật [24].
Lê Đức đã nghiên cứu khả năng hấp thụ và tích lũy Pb trong đất của cây rau muống, bèo tây và cải. Đặng Thị An đã nghiên cứu và nhận định lượng KLN trong đất ở Văn Lâm, Hưng Yên xâm nhập vào một số cây rau là khá lớn [11]. Nghiên cứu của Đặng Đình Kim cho thấy khả năng chống chịu và tích lũy Pb rất cao của cây cỏ vetiver trong đất ô nhiễm Pb [21]. Cao Thị Thanh Nga, (2007), đã chứng minh được khả năng xử lý ô nhiễm KLN trong đất của cây cải xanh [26]. Diệp Thị Mỹ Hạnh và cộng sự, (2007), đã nghiên cứu và cho rằng khả năng chống chịu và hấp thụ Pb của cây thơm ổi (Lantana carama L.) trong đất ô nhiễm Pb rất cao [14]. Võ Văn Minh đã chứng minh khả năng loại bỏ một số KLN của cỏ Vetiver khỏi đất tại một số loại bãi thải ở Đà Nẵng là rất khả quan [24, 25]. Đặng Đình Kim đã khẳng định hiệu quả làm sạch ô nhiễm KLN trong đất vùng khai thác mỏ ở Thái Nguyên của một số loài dương xỉ, cỏ mần trầu, cải xanh, cỏ voi lai và cỏ vetiver [21]. Nguyễn Hữu Thành
(2008), đưa ra được khả năng hấp thụ KLN trong đất ô nhiễm của cây Dừa Nước, cây Mương Đứng và cây Rau Muống [31]. Lương Thị Thúy Vân (2012), đã đề xuất biện pháp xử lý đất sau khai thác bị ô nhiễm Pb, As bằng cỏ vetiver [39]. Đặng Đình Kim và cộng sự (2010), đã đánh giá được khả năng xử lý đất của 2 loài dương xỉ Pteris vittata (P. vittata) và Pityrogramma calomelanos [21].
1.5.2. Một số lồi thực vật có khả năng tích tụ KLN cao phân bố tại vùng Đơng Nam Bộ
Quá trình điều tra, khảo sát thực tế, đề tài đã thu thập được một số lồi thực vật có khả năng hút thu, tích lũy KLN cao, sống phổ biến trong vùng như sau:
Cỏ vetiver (Vetiveria zizanioides L.)
Tại Việt Nam cịn có tên là cây Hương Bài. Ngồi tác dụng chống xói mịn và là ngun liệu ép dầu, cỏ vetiver cịn có khả năng thu hút KLN trong đất. Vì vậy, cỏ vetiver được sử dụng như là một loại cây tiên phong trong cải tạo đất bị ô nhiễm KLN, nhất là các vùng đất sau khai thác khống sản, [39].
Cỏ vetiver có khả năng hấp thụ các KLN và các chất dinh dưỡng khác trong đất và có thể chịu được dù ở hàm lượng rất cao. Tuy hàm lượng những chất này trong cỏ vetiver nhiều khi không cao như ở một số giống cây siêu tích tụ khác, nhưng do nó phát triển rất nhanh và cho năng suất cao nên cỏ vetiver có thể hấp thụ tổng lượng chất dinh dưỡng và KLN lớn hơn nhiều so với phần lớn các giống cây siêu tích tụ khác. Sự phân bố KLN trong cỏ vetiver có thể chia làm 3 nhóm: Rất ít As, Cd, Cr và Hg do rễ hấp thụ được chuyển lên thân lá (1 – 5%); một lượng vừa phải Cu, Pb, Ni và Se do rễ hấp thụ được chuyển lên thân lá (16 – 33%) và Zn được phân bố đồng đều ở thân lá và rễ (40%). Như vậy, cỏ vetiver có khả năng hút mạnh nhất là Zn, Pb và Ni, là những nguyên tố KLN độc trong môi trường đất [21].
Ngưỡng chịu KLN của cỏ vetiver ở trong đất và trong cây cao hơn nhiều so với những loài thực vật khác. Đối với As, ngưỡng chịu của các loài cây cỏ khác chỉ 1 - 10 mg/kg, trong khi đó cỏ vetiver có thể chịu được ở mức 21 - 72 mg/kg. Đối với Cd, ngưỡng độc của cỏ vetiver 45 - 48 mg/kg, đối với các loài thực vật khác chỉ 5 - 20 mg/kg. Cỏ vetiver cũng có thể chịu đựng được hàm lượng Pb trong đất lớn hơn 1.500 mg/kg và hàm lượng kim loại này trong cây ở mức trên 78 mg/kg, [96].
Cây thơm ổi (Cosmos bipinnuatus)
Cây thơm ổi là cây bụi thân gỗ, có khả năng hấp thụ lượng KLN cao gấp 100 lần bình thường và sinh trưởng rất nhanh. Món khối khẩu của lồi cây này là chì. Chúng có thể "ăn" lượng chì cao gấp 500 - 1.000 lần, thậm chí cịn lên tới 5.000 lần so với các lồi cây bình thường mà khơng bị ảnh hưởng. Thơm ổi được xem là lồi siêu hấp thụ chì và cadimi. Sau 105 ngày thí nghiệm, khả năng hấp thụ Pb của cây thơm ổi cao hơn 506 mg/kg (trong điều kiện môi trường ô nhiễm Pb ở hàm lượng 1.000 mg/kg) so với cây sống trong điều kiện bình thường và 1.037 mg/kg (trong điều kiện mơi trường nhiễm chì 2.000 mg/kg) [14].
Ngồi ra, cây thơm ổi hấp thụ Pb rất nhanh: Trong điều kiện mơi trường chứa 1.000 mg/kg chì, sau 24 giờ rễ cây thơm ổi đã tích lũy một lượng chì hơn 470 lần so với cây đối chứng (sống trong điều kiện mơi trường bình thường); trong mơi trường chứa 2.000 mg chì/kg đất thì rễ thơm ổi tích lũy một lượng chì hơn 969 lần so với cây đối chứng; trong mơi trường chứa 4.000 mg chì/kg đất, rễ thơm ổi tích lũy một lượng chì hơn 4.908 lần so với cây đối chứng, [15].
Theo tính tốn, cây thơm ổi có khả năng tích lũy chì cao hơn 1% so với khối lượng khô của rễ và bộ phận rễ cây được xem là “kho” chứa chì. Tương tự, đối với cadimi, cây thơm ổi cũng có khả năng hấp thụ chất này rất tốt. Đặc biệt có hai cây thơm ổi sống trong mơi trường ô nhiễm chì cực kỳ cao, hàm lượng lên đến 10.000 mg/kg và 20.000 mg/kg. Nhóm nghiên cứu cho rằng đây là hai nguồn gen q được tìm thấy để phục vụ nghiên cứu về cây siêu tích lũy sau này, [14].
Cây cải (Brassicaceae oleracea)
Người ta đã tìm ra hàng trăm lồi cải có khả năng hấp thụ KLN trong đất. Điển hình là khả năng hấp thụ Cd và Pb của cải xanh và cải xoong. Hàm lượng gây ô nhiễm Pb cho đất là 1.300 mg/kg trở lên bắt đầu có ảnh hưởng đến sinh trưởng của cải xanh. Ở loài thực vật này có khả năng lưu giữ trong thân một lượng lớn các KLN, đồng thời có thể làm sạch các chất RDX (một loại hợp chất có thể gây độc cho cả đất lẫn nguồn nước) và sử dụng các chất này như một nguồn đạm, [3].
Tuy nhiên việc sử dụng các loại cây cải vào xử lý KLN trong đất cịn là vấn đề đang cần xem xét vì đa số các lồi cải là rau xanh thơng dụng.
Cây Đơn buốt (Biden pilosa L.)
Nghiên cứu của Nguyễn Thế Đặng cho thấy ở các mức Pb khác nhau thì năng suất của cây cũng khác nhau:
- Khi tăng Pb trong đất từ 0 mg/kg lên tới 500 mg/kg đất thì hầu như khơng ảnh hưởng đến sinh trưởng của cây Đơn buốt. Nhưng từ mức 1.500 mg/kg đất trở lên đã làm năng suất của cây Đơn buốt giảm xuống khá rõ. Đối với As, Đơn buốt sinh trưởng bình thường và năng suất không thay đổi khi tăng As trong đất từ 0 mg/kg lên 500 mg/kg đất. Khi lên mức 1.500 mg/kg đất thì năng suất giảm rõ, nhất là đến mức 3.000 mg/kg đất. Thực tế theo dõi thí nghiệm cho thấy ở công thức 3.000 mg/kg đất, cây Đơn buốt sinh trưởng rất kém và một số cây bị chết.
- Khả năng hút Pb và As của Đơn buốt: Số liệu phân tích hàm lượng Pb trong cây cho thấy được ở các mức Pb khác nhau thì khả năng thu hút Pb của thân lá, rễ khác nhau. Khi tăng mức Pb trong đất từ 0 mg/kg lên 3.000 mg/kg đất thì lượng Pb trong cây đơn buốt tăng từ 7,31 mg/kg tươi lên 112,47 mg/kg sinh khối tươi ở thân lá Đơn buốt và từ 12,55 mg/kg lên 89,02 mg/kg ở rễ. Như vậy, khả năng hút Pb của rễ tăng nhẹ hơn ở thân lá khi tăng lượng As trong đất.
Khi tăng lên 3.000 mg/kg thì hút tới 101 mg/kg. Hàm lượng As ở rễ cây Đơn buốt tăng lên khi hàm lượng As trong đất tăng lên và đạt cao nhất là 105,32 mg/kg rễ tươi ở mức bón 3.000 mg/kg As. Tuy nhiên, bón ở mức 3.000 mg/kg thì một số cây Đơn buốt bị chết, khả năng sinh trưởng kém hẳn và chắc chắn tổng lượng As cây hút được sẽ thấp.
Như vậy, cây Đơn buốt có khả năng sinh trưởng và phát triển bình thường trong điều kiện hàm lượng As trong đất đến 1.500 mg/kg đất và hàm lượng Pb trong đất đến 3.000 mg/kg đất, [11].
Cây Sậy được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý KLN trong khu đất ngập nước. Sậy có khả năng hấp thụ một lượng lớn các KLN trong đất thông qua lượng sinh khối của chúng.
TheoVõ Văn Minh, cây Sậy đạt chiều cao là 180 cm sau trồng 1 năm, cao hơn so với 2 loại cây cỏ vetiver và dương xỉ. Theo dõi sau khi trồng 12 tháng cho thấy sinh khối thân lá của cây Sậy là 24,2g chất khơ/khóm. Qua đó cho thấy khả
năng sinh trưởng của cây sậy trên đất sau khai thác thiếc khá cao so với dương xỉ. Tương tự sinh khối thân lá, cây sậy có sinh khối rễ cao hơn dương xỉ. Sau 1 năm nghiên cứu, hàm lượng KLN tích lũy trong cây sậy cao hơn so với cỏ vetiver và dương xỉ. Hàm lượng As trong thân lá và rễ là 18,97 mg/kg và 59,37 mg/kg. Hàm lượng Pb trong thân lá và rễ là 5,63 mg/kg và 30,36 mg/kg. Hàm lượng Cd trong thân lá và rễ là 0,73 mg/kg và 1,63 mg/kg [24].
Cây Sậy được coi là loài thực vật đáng tin cậy trong việc xử lý KLN trong đất. Theo nghiên cứu của Nadia Ait Ali và cộng sự hàm lượng Cd dao động từ 675 đến 1193 mg/kg, từ 45 đến 85 mg/kg trong rễ và thân lá tương ứng. Hàm lượng Zn dao động từ 42 đến 106 mg/kg, từ 166 đến 915 mg/kg trong thân lá và rễ tương ứng, (dẫn theo Lê Như Kiểu và cộng sự, 2014) [20].
1.5.3. Phương pháp kết hợp thực vật với vi sinh vật
Vấn đề này ở Việt Nam mới chỉ có một số nghiên cứu sau:
Theo nghiên cứu của Trần Thị Tuyết Thu (2005) cho thấy: việc dùng
Aspergillus.sp phân lập từ đất để chiết Pb, Zn và Cr khỏi đất có hiệu quả trung bình
sau 21 ngày là 37%; 15,9%; 30,14% theo thứ tự. Bên cạnh đó, việc dùng nấm
Penicillium.sp để chiết rút Pb từ đất theo hệ thống chiết rút như trên đã đạt hiệu quả
từ 30 đến 36% so với hàm lượng Pb tổng số [34].
Các phương pháp tách kim loại khỏi đất nhờ VSV đòi hỏi nhiều thời gian và hiệu quả của quá trình xử lý phụ thuộc nhiều vào việc xác định chủng, loài VSV thích hợp và tính chất của đất. Bù lại, đó là các phương pháp cải tạo đất ơ nhiễm có chi phí thấp và dễ vận hành nhất.
Nghiên cứu sử dụng thực vật xử lý KLN ở vùng khai thác khống, Đặng Đình Kim và cộng sự, (2010), tiến hành đã xác định được 2 loài dương xỉ Pteris vittata và Pittyrogramma calomelano khi kết hợp với nấm rễ AMF có khả năng hấp thụ mạnh As, Pb từ đất sau khai thác mỏ [21].
Lê Như Kiểu và cộng sự đã xác định được một số loài thực vật: dương xỉ, khoai nước, dừa nước, ráy, ngổ dại... có khả năng tích luỹ Pb, Cu và Zn. Đã tuyển chọn được một số chủng VSV có khả năng tích luỹ Pb (vi khuẩn 193,46 mg Pb; nấm men 234,19 mg Pb; nấm mốc 203,64 mg Pb và 1 chủng AMF 657,48 mg Pb). [20].
Công nghệ sử dụng các biện pháp sinh học để xử lý ô nhiễm KLN trong đất và nước là cơng nghệ có triển vọng lớn vì nó kết hợp được 2 đặc điểm của thực vật và VSV là: khả năng cho sinh khối cao và cơ chế siêu tích tụ sẽ xử lý thành công KLN trong môi trường. Mặc dù, cơng nghệ này có nhược điểm là phải mất nhiều năm mới phân huỷ hồn tồn. Tuy nhiên, với chi phí xử lý thấp hơn 10 - 1.000 lần so với phương pháp truyền thống và lại thân thiện với môi trường nên sử dụng biện pháp sinh học (kết hợp giữa thực vật và VSV) được xem là giải pháp khả thi [35].
1.5.4. Cơ chế tác động của vi sinh vật đến sự tích lũy KLN của thực vật
Hiệu quả của phương pháp xử lý đất ô nhiễm KLN bằng thực vật phụ thuộc khá nhiều vào sinh khối thực vật và sự di chuyển KLN từ rễ lên các bộ phận trên mặt đất. Các cây như Thlaspi, Urtica, Chenopodium, Polygonum sachalase và Alyssum là những thực vật có khả năng chiết, tích lũy và chống chịu với hàm lượng
KLN cao có những hạn chế trong xử lý như sinh trưởng chậm và cho sinh khối thấp [90]. Những đặc tính này trái ngược với những đề xuất của Robinson B và cộng sự, (2000) là các cây sử dụng trong hấp thu KLN phải sinh trưởng nhanh, rễ ăn sâu, dễ trồng và tích lũy KLN cao. Theo Romkens P và cộng sự (2002), các cây này có khả năng hút thu và tích lũy KLN cao, đồng thời phải cho sinh khối lớn [89].